精品课程《岩体力学》

岩体力学ROCKMASSMECHANICS,贾洪彪工程学院岩土工程与工程地质系,土木工程专业基础课,第一章绪论,2001年5月1日20点30分，重庆武隆县发生了一起基岩滑坡，造成79人死亡，摧毁9层楼房一幢。,岩体力学,2000年4月6日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，4小时内发生大小陷坑19处，2栋楼房塌进陷坑，16栋楼房不同程度开裂、破损，为1977年来武汉市内发生的6起塌陷中规模最大的一次。,岩体力学,2000年4月9日20时在西藏易贡发生巨型滑坡，历时10分钟，滑程8公里，滑体3亿方，堵塞了易贡藏布河道，形成15平方公里的湖区，使4000多人被困，直接经济损失达1.4亿多元，危及318国道通麦大桥。,岩体力学,1980年6月3日5点35分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩，摧毁整个盐池河矿务局，死亡284人。,岩体力学,1985年6月12日3点52分，由于后部岩崩加载，导致新滩滑坡复活。所幸的是由于预报准确，新滩镇全镇1371人全部安全转移。,岩体力学,在兵书宝剑峡出口，新滩的对面是链子崖危岩体，近于直立的陡崖为与长江近乎平行的十几条裂缝所切割，导致岩体“摇摇欲坠”，对长江航道构成严重威胁。,岩体力学,人类承受了太多太多的灾难,工程活动无休无止,岩体力学,。,。,。,国防军事,能源开采,城建工程,水利工程,交通工程,三峡工程,岩体力学,如果有科学的利用和开发，地球可以成为我们生活的美丽家园；如果不善加保护和利用，地球也可以成为埋葬人类的坟墓。地球表层为岩体、土体所覆盖，人类生活所依托的几乎为地壳表层的岩土体。要想科学的利用、开发、保护地球，我们必须首先掌握岩土体的性质，尤其是它们的力学性质，因此我们就有了,岩体力学,岩体力学,一、岩体力学的定义与分支学科1.定义岩体力学(RockmassMechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。岩石力学(RockMechanics)国际岩石力学学会（ISRM）中国岩石力学与工程学会（CSRME）,第一章绪论,岩体力学,工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。,2.分支学科,第一章绪论,岩体力学,二、研究内容与研究方法,1.研究内容以边坡为例,第一章绪论,岩体力学,边坡岩体力学研究框图,边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等）,岩块、结构面力学性质（室内试验：求变形、强度参数）,应力条件（建筑物作用力、天然应力、水压力、地震力等）,地质模型建立（平、剖面图）,岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）,开挖后的重分布应力、大小,力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理.）,稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元.）,综合评价,工程设计要求,工程设计,处理方案或修改角,施工,安全系数,稳定、合理,不稳定、不合理,工程地质研究方法,试验法,数学、力学分析法,综合评价法,岩体的地质特征岩块、结构面的力学性质岩体的力学性质岩体中天然应力岩体中重分布应力稳定性计算与评价工程处理与加固,研究内容,第一章绪论,岩体力学,2.研究方法工程地质研究法研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料试验法为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数数学力学分析法通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据综合分析法采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论,第一章绪论,岩体力学,三、岩体力学的形成与发展,1.形成历史1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。1957年，第一本岩石力学专著出版。1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。,第一章绪论,岩体力学,2.发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。,第一章绪论,岩体力学,四、关于岩体力学课,第一章绪论,总学时：40学时讲课：32学时实验：6学时作业：2-3次,岩体力学,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,21,第二章岩体的地质特征,2.1几个基本概念2.2岩块的物质组成与结构特征2.3结构面的特征2.4岩体的结构特征2.5岩体工程分类,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,22,岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。结构面（StructuralPlane）指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块（Rockblock或Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩体（Rockmass）是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。,2.1几个基本概念,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,23,一、岩块的物质组成,2.2岩块的物质组成与结构特征,岩块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量,粘土矿物,硅酸盐类矿物,碳酸盐类矿物,氧化物类矿物,组成岩石的矿物,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,24,二、岩块的结构特征,岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。,结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。,岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结,胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。,胶结连结的岩块强度,硅质胶结铁质、钙质泥质胶结,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,25,二、岩块的结构特征,微结构面削弱岩块的强度，导致各向异性,颗粒形状强度：粒状、柱状片状鳞状,颗粒大小强度：粗粒矿物组成和结构改变=岩块的物理力学性质改变（强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大，渗透性加大）,风化,衡量岩块的风化程度的指标：定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,27,风化空隙率指标(Iw)：快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。,波速指标纵波波速（cp）波速比(kv),风化系数,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,28,硬质岩石按波速指标的风化分级表,岩土工程勘察规范（GB50021-2002）,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,29,一、结构面的成因类型,(一)地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面(二)力学成因类型张性结构面剪性结构面,2.3结构面特征,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,30,岩体结构面的类型及其特征,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,31,(一)地质成因类型1.原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面。沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。2.构造结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。3.次生结构面是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,32,(二)力学成因类型1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强2、剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,33,二、结构面的规模,级指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,34,级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。级又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。,二、结构面的规模,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,35,走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。,三、产状,据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,36,四连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。,K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,37,结构面连续性分级表,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,38,五密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)。2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。Kd与d互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时:,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,39,结构面间距分级表,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,40,用线密度来估算岩体质量指标RQD(rockqualitydesignation),岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,41,六张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,42,结构面张开度分级表,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,43,级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从一定的随机分布规律。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,44,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,45,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,46,七形态结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。,侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,47,结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,48,八充填胶结特征,结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。,未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类1薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。2断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。3连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,49,九软弱结构面,软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。特性：1、由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构2、粘粒含量很高3、含水量接近或超过塑限4、密度比原岩小5、常具有一定的胀缩性6、力学性质比原岩差7、强度低8、压缩性高9、易产生渗透变形,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,50,十、结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,51,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,52,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,53,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,54,2.4岩体的结构特征,一、岩体的组成岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,55,二、岩体的结构岩体结构(rockmassstructure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。1结构体特征结构体(structuralelement)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。常用块度模数（单位体积内的级结构体数)或结构体体积来表示结构体规模。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,56,结构体的形状示意图,结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形形状不同，稳定性不同。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,57,2岩体的结构类型,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,58,三、岩体成因与岩体特征,1岩浆岩体无层理，产状复杂。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。2沉积岩体具有层理构造，岩体呈层状结构。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。3变质岩体多数岩石变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性增强，孔隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变质岩的性质一般要好些。,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,59,方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。,2.5岩体的工程分类,2020/4/30,中国地质大学工程学院岩土工程与工程地质系贾洪彪,60,一、岩块的工程分类1、Deere温度越高，强度越低。,第四章岩块的变形与强度性质,端面条件端面效应,层理结构强度各向异性,第四章岩块的变形与强度性质,二、单轴抗拉强度t1.定义：单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。2.意义：衡量岩体力学性质的重要指标用来建立岩石强度判据，确定强度包络线选择建筑石材不可缺少的参数3.测定方法：直接拉伸间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）,第四章岩块的变形与强度性质,直接拉伸法是将圆柱状试件两端固定在材料试验机的拉伸夹具内，然后对试件施加轴向拉荷载至破坏。,劈裂试验是用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下承压面上各放一根垫条。然后以一定的加荷速率加压，直至试件破坏。,在线布荷载(p)作用下，沿试件竖直向直径平面内产生的近于均布的水平拉应力x=2p/DL在水平向直径平面内产生的压应力y=6p/DL抗拉强度t=2pt/DL（圆形试样）t=2pt/a2（方形试样）,第四章岩块的变形与强度性质,点荷载试验是将试件放在点荷载仪中的球面压头间，加压至试件破坏，利用破坏荷载求岩块的点荷载强度。,点荷载强度Is=pt/D2抗拉强度t=kIs,第四章岩块的变形与强度性质,4.影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。,第四章岩块的变形与强度性质,常见岩石的抗拉强度,第四章岩块的变形与强度性质,三、剪切强度1、定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度2、类型：（1）抗剪断强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。（2）抗切强度：指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。（3）摩擦强度：指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力。,第四章岩块的变形与强度性质,3、意义：反映岩块的力学性质的重要指标用来估算岩体力学参数及建立强度判据4、抗剪断强度的测试方法：直剪试验、变角板剪切试验、三轴试验,第四章岩块的变形与强度性质,直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。,变角板剪切试验是将立方体试件，置于变角板剪切夹具中加压直至试件沿预定的剪切面破坏。,第四章岩块的变形与强度性质,四、三轴压缩强度1.定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。2.测定方法:在一定的围压3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度1m(MPa)为：,第四章岩块的变形与强度性质,第四章岩块的变形与强度性质,3.利用三轴试验确定抗剪强度,根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度1m和相应的3以及单轴抗拉强度t。在-坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角()和内聚力(C)。,第四章岩块的变形与强度性质,(c-t)/2,(c+t)/2,第四章岩块的变形与强度性质,定义：表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，称为破坏判据（failurecriterion)或称强度准则、强度判据。1=F(2,3,C,t,C,),4.4岩石的破坏判据,第四章岩块的变形与强度性质,库仑-纳维尔判据莫尔判据格里菲斯判据八面体强度判据,一、库仑-纳维尔判据,第四章岩块的变形与强度性质,固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力()应等于或大于材料本身的抗切强度(C)和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力(tg)之和。,按照库仑-纳维尔理论，岩石的强度包络线是一条斜直线，破坏面与最小主平面的夹角恒等于45/2。库仑-纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏的情况。该判据没有考虑中间主应力2的影响。,二、莫尔判据莫尔考虑了三向应力状态下的库仑-纳维尔判据后认为：材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值。也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度又是作用于该面上法向应力的函数。,第四章岩块的变形与强度性质,判断岩石中一点是否会发生剪切破坏时，可在莫尔包络线上，叠加上反映实际研究点应力状态的莫尔应力圆，如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏；如果应力圆位于包络线下方，则不会产生破坏。,第四章岩块的变形与强度性质,适用于岩性较坚硬至较软弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等岩石。,2.抛物线型,2.双曲线型,适用于砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石。,第四章岩块的变形与强度性质,3.直线型,莫尔强度理论实质上是一种剪应力强度理论。它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏。反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏（曲线在受压区不闭合）的特点。忽略了中间主应力2的影响适用于剪破坏，不适用于拉破坏、膨胀或蠕变破坏。,第四章岩块的变形与强度性质,三、格里菲斯判据这是格里菲斯在研究“为什么玻璃等脆性材料的实际抗拉强度比由分子理论推算的强度低得多”这一问题后提出了脆性破坏理论。他认为：脆性材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞。材料的破坏是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果，,第四章岩块的变形与强度性质,岩石就是这样一种包含大量微裂纹和孔洞的脆性材料，因此，格里菲斯理论为岩石破坏判据提供了一个重要理论基础。,剪应力表达式:主应力表达式:,第四章岩块的变形与强度性质,判据的表达式,由格里菲斯判据可得1.按格里菲斯判据，当时，即=，基本上与库仑-纳维尔判据相接近。2.该判据非常适用于脆性岩石的拉破坏情况。,第四章岩块的变形与强度性质,修正的格里菲斯判据（考虑摩擦效应f,C）,四、八面体强度判据八面体:指空间坐标中每个卦限取一等斜面，八个等斜面构成的多面体，称为八面体。八面体强度判据认为岩石破坏的原因是八面体上的剪应力（8）达到了临界值所引起的。八面体应力,第四章岩块的变形与强度性质,米赛斯强度判据：岩石单向受力至屈服时，当8达到八面上的极限剪应力时，岩石屈服(或破坏)。,第四章岩块的变形与强度性质,该判据适用于以延性破坏为主的岩石。八面体强度判据的优点是考虑了中间主应力的作用。,德鲁克-普拉格（rucker-Prager）判据:,一、库仑-纳维尔判据,第四章岩块的变形与强度性质,适用条件：低应力或坚硬、较坚硬的岩石的剪切破坏.,二、莫尔判据1.斜直线型：同库仑-纳维尔判据2.二次抛物线型：,适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏,破坏判据小结,3.双曲线型：适用条件：中等应力或较坚硬岩的剪切破坏。,三、格里菲斯判据,适用条件：非常适用于脆性岩石的拉破坏。,修正的格里菲斯判据,四、八面体强度判据,该判据适用于以延性破坏为主的岩石。,第五章结构面的变形与强度性质,5.1概述5.2结构面的变形性质一、法向变形性质二、剪切变形性质5.3结构面的强度性质一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面,5.1概述,在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。,第五章结构面的变形与强度性质,工程实例,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。,5.2结构面的变形性质,一、法向变形性质1.法向变形特征,VVV,第五章结构面的变形与强度性质,应力-变形关系曲线,第五章结构面的变形与强度性质,开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，n-V及n-V曲线均呈上凹型。当n增到一定值时，n-V曲线变陡，并与n-V曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时V则趋于结构面最大闭合量V。初始压缩阶段，含结构面的岩块变形V主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当nMPa时，V/V可达，说明V占了很大一部分。法向应力n大约从/3处开始，含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。,应力-变形关系曲线特征,第五章结构面的变形与强度性质,结构面的n-V曲线大致为以VV为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关。结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100的接触。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义为n-V曲线原点处的切线斜率，即：,应力-变形关系曲线特征,第五章结构面的变形与强度性质,2.法向变形本构方程,1)Goodman方程,适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面,第五章结构面的变形与强度性质,2)Bardis方程,第五章结构面的变形与强度性质,2)Bardis方程,适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层面)的法向变形,第五章结构面的变形与强度性质,法向刚度n（normalstiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于n-V曲线上一点的切线斜率。,确定方法,试验法,3.法向刚度及其确定方法,室内变形试验,现场变形试验,本构方程和经验估算,第五章结构面的变形与强度性质,现场变形试验中心孔承压板法,第五章结构面的变形与强度性质,经验估算由Bandis方程估算,第五章结构面的变形与强度性质,Bandis经验方程求Kni，Vm,第五章结构面的变形与强度性质,壁岩强度JCS,第五章结构面的变形与强度性质,几种结构面的抗剪参数表,第五章结构面的变形与强度性质,岩体结构面直剪试验结果表,第五章结构面的变形与强度性质,便携式直剪仪,第五章结构面的变形与强度性质,脆性变形型塑性变形型结构面变形与风化程度有关结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。,1、剪切变形特征,二、结构面的剪切变形性质,第五章结构面的变形与强度性质,卡尔哈韦（Kalhaway）方程,2.剪切变形本构方程,第五章结构面的变形与强度性质,剪切刚度KS（shearstiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。,3.剪切刚度及其确定方法,确定方法,试验法室内试验现场试验经验估算法（Barton方程）,第五章结构面的变形与强度性质,5.3结构面的强度性质,结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面,一、平直无充填的结构面,平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,二、粗糙起伏无充填的结构面,剪切特点：当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了,第五章结构面的变形与强度性质,1、规则锯齿形结构面1）较小，剪胀作用,Patton公式,第五章结构面的变形与强度性质,2）较大，啃断效用,上式为法向应力t时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：,第五章结构面的变形与强度性质,2、不规则起伏结构面,自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。,第五章结构面的变形与强度性质,巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angleofdilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：,第五章结构面的变形与强度性质,Barton方程：,第五章结构面的变形与强度性质,大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u，而第一项的系数取整数。,Ladanyi&Archambault方程：,剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,当很大时，凸起全部被剪断，AsA(as1),无剪胀发生,=V/u=0,则有:,从以上讨论可知,阿氏与莱氏公式是图中曲线3。,当很小时，凸起不被剪断，As=0(as=0)且tgi=V/u,则有:,三、非贯通断续的结构面,假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,四、具有充填物的软弱结构面,具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,第五章结构面的变形与强度性质,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,189,第六章岩体的力学性质,6.1岩体的变形性质6.2岩体的强度性质6.3岩体的动力学性质6.4岩体的水力学性质,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,190,6.1岩体的变形性质,一、岩体变形试验及其变形参数确定二、岩体变形参数估算三、岩体变形曲线类型及其特征四、影响岩体变形性质的因素,在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。,从岩体的定义：岩块+结构面=岩体岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形,在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,191,一、岩体变形试验及其变形参数确定,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,192,静力法的基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,193,1、承压板法,刚性承压板法柔性承压板法,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,194,是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板0.785；对于方形板0.886,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,195,2、钻孔变形法,优点：对岩体扰动小；可以在地下水位以下和相当深的部位进行；试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,196,3、狭缝法,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,197,常见岩体的弹性模量和变形模量,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,198,几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量,岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。试验方法不同、压力大小不同，岩体变形模量不同。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,199,二、岩体变形参数估算,一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算。二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,200,1、层状岩体变形参数估算,层状岩体的地质力学模型假设各岩层厚度相等为S，且性质相同。层面的张开度可忽略不计假设岩块的变形参数为E，和G，层面的变形参数为Kn，Ks。取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。由岩块和层面组成单元体。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,201,（1）法向应力n作用下的岩体变形参数,1)沿n方向加荷,2)沿t方向加荷,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,202,(2)剪应力作用下的岩体变形参数,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,203,2、裂隙岩体变形参数的估算,（1）用RMR值估算岩体变形模量,（2）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,204,三、岩体变形曲线类型及其特征,1、法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,205,直线型,通过原点的直线，其方程为pf(W)KW加压过程中W随p成正比增加岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀,岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。,岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。,陡直线型,缓直线型,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,206,上凹型,曲线方程为pf(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW0层状及节理岩体多呈这类曲线,岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分较大。多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。,卸压曲线较陡，变形大部分为塑性变形。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。,第二种情况,第一种情况,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,207,上凸型,曲线方程为pf(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW20。结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。,复合型,p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,208,2、剪切变形曲线,峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,209,四、影响岩体变形性质的因素,影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。结构面密度结构面的张开度及充填特征,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,210,结构面方位,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,211,6.2岩体的强度性质,一、岩体的剪切强度二、裂隙岩体的压缩强度三、裂隙岩体强度的经验估算,岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,212,一、岩体的剪切强度,岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,213,1、原位岩体剪切试验及其强度参数确定,双千斤顶法直剪试验,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,214,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,215,岩体剪应力()-剪位移(u)曲线及法向应力()-法向变形(W)曲线。剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，m值,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,216,各类岩体的剪切强度参数表,岩体内摩擦角与岩块较接近，而内聚力则大大低于岩块。说明结构面的存在主要是降低了岩体的连结能力，进而降低其内聚力。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,217,2、岩体的剪切强度特征,岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。应力较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。应力高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。,沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构面的抗剪强度。横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,218,坚硬岩石的强度曲线软弱岩石的强度曲线,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,219,二、裂隙岩体的压缩强度,岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度。在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。,单轴压缩,三轴压缩,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,220,单结构面理论,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,221,岩体的强度(13)随结构面倾角的变化而变化。当j或90时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当12时，岩体才能沿结构面破坏。,单结构面理论,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,222,单结构面理论,当45j2时，岩体强度取得最低值,3=0,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,223,单结构面理论,含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面理论确定岩体强度包线及岩体强度。随结构面组数的增加，岩体的强度趋向于各向同性，并被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。当3接近于mc时，可视为各向同性体。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,224,三、裂隙岩体强度的经验估算,Hoek-Brown的经验方程,M、S、A、B、T为与岩性及结构面情况有关的常数，根据岩体性质查表确定。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,225,岩体质量和经验常数之间关系表,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,226,6.3岩体的动力学性质,一、岩体中弹性波的传播规律二、岩体中弹性波速度的测定三、岩体的动力变形与强度参数,岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,227,一、岩体中弹性波的传播规律,弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度及其动力变形参数Ed，d有关。因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。,2020/4/30,土木工程专业课程岩体力学,228,影响弹性波在岩体中的传播速度的因素,不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。